CN116660328A - 一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数据监测技术领域，具体涉及一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法和装置，通过对至少两块尺寸和材质完全相同的岩样进行浸泡处理，使所有岩样达到完全饱水状态，在其中一块岩样表面打孔放入传感器，将所有岩样处于相同的空气环境中，周期性记录传感器的信号值和不具有孔洞岩样的体积含水率，通过对相同时刻记录的传感器信号值和岩样体积含水率建立线性映射关系，得到传感器信号值与岩样体积含水率的转换公式，最后，根据获取的介电常数与传感器信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式，从而解决目前缺少将传感器信号值换算为岩石含水率的经验公式，无法通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及数据监测技术领域，具体涉及一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法和装置。
背景技术
岩石风化是引起石质文物破坏的重要地质过程，有效探明引起岩石风化的水分来源是石质文物保护领域亟需解决的问题。由于岩石具有一定吸湿性，岩石水分含量会体现为岩石含水率变化，对岩石含水率进行监测是调查水分来源的有效手段。然而，无法通过传统称重方式对石质文物含水率进行原位监测，岩石水分的原位动态监测是一个难题。因此，基于频域反射技术（Frequency-Domain Reflectometry, FDR）和时域反射技术（Time-Domain Reflectometry, TDR）的岩土体含水率动态监测手段是实现多孔介质水分原位监测仅有的有效手段，其基本原理是通过高频电磁波监测得到介质的介电常数（ε），从而输出传感器信号值（RAW），再利用传感器信号值与体积含水率之间的经验关系计算出含水率。
该类技术针对土壤含水率监测有较成熟的经验公式，可以将输出的传感器信号值换算为土壤含水率，但是，现有技术中，缺少将传感器信号值换算为岩石含水率的经验公式，无法通过岩石介电常数计算岩石体积含水率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法和装置，以克服目前缺少将传感器信号值换算为岩石含水率的经验公式，无法通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本申请提供了一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法，包括：
获取用户指令，并根据所述用户指令，采集至少两块尺寸和材质完全相同的岩样；
根据所述用户指令，在其中一块所述岩样表面进行钻孔，并对所有所述岩样进行浸泡处理，使所有所述岩样达到完全饱水状态；
获取用户测量指令，并根据所述用户测量指令，将所有所述岩样置于相同的空气环境中；
根据所述用户测量指令，在具有孔洞中的所述岩样中插入5TE体积含水量传感器；
根据预设的获取间隔，周期性的记录所述5TE体积含水量传感器的信号值及不具有孔洞的所述岩样的体积含水率；
对相同时刻记录的所述5TE体积含水量传感器的信号值和所述岩样的体积含水率建立线性映射关系，得到所述5TE体积含水量传感器的信号值与所述岩样的体积含水率的转换公式；
获取介电常数与所述5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式；
根据所述5TE体积含水量传感器的信号值与所述岩样的体积含水率的转换公式和所述介电常数与所述5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式。
进一步的，以上所述的方法，所述岩样的高度大于10厘米，所述岩样的宽度或直径大于8厘米。
进一步的，以上所述的方法，所述根据所述用户指令，在其中一块所述岩样表面进行钻孔，并对所有所述岩样进行浸泡处理，使所有所述岩样达到完全饱水状态，包括：
根据所述用户指令，在其中一块所述岩样表面，以垂直所述岩样表面的形式进行钻孔，并确保所述5TE体积含水量传感器能够完全插入；
对所有所述岩样进行浸泡处理，使所有所述岩样达到完全饱水状态。
进一步的，以上所述的方法，所述根据预设的获取间隔，周期性的记录所述5TE体积含水量传感器的信号值及不具有孔洞的所述岩样的体积含水率，包括：
根据预设的获取间隔，周期性的记录所述5TE体积含水量传感器的信号值和不具有孔洞的所述岩样的重量值；
根据不具有孔洞的所述岩样的重量值通过称重法获得不具有孔洞的所述岩样的体积含水率。
进一步的，以上所述的方法，所述5TE体积含水量传感器的信号值与所述岩样的体积含水率的转换公式为：
，其中RAW为传感器输出的信号值，θ为岩石体积含水率，a和b通过所述5TE体积含水量传感器信号值与所述岩样体积含水率的线性映射关系得到。
进一步的，以上所述的方法，所述介电常数与所述5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式为：
，其中ε为介电常数。
另一方面，本申请还提供了一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的装置，包括处理器和存储器，所述处理器与存储器相连：
其中，所述处理器，用于调用并执行所述存储器中存储的程序；
所述存储器，用于存储所述程序，所述程序至少用于执行以上任一项所述的方法。
本发明的有益效果为：
本申请首先获取用户指令；根据用户指令，采集至少两块尺寸和材质完全相同的岩样；根据用户指令，在其中一块岩样表面进行钻孔，并对所有岩样进行浸泡处理，使所有岩样达到完全饱水状态；获取用户测量指令，并根据用户测量指令，将所有岩样置于相同的空气环境中；根据用户测量指令，在具有孔洞中的岩样中插入5TE体积含水量传感器；根据预设的获取间隔，周期性的记录5TE体积含水量传感器的信号值及不具有孔洞的岩样的体积含水率；对相同时刻记录的5TE体积含水量传感器的信号值和岩样的体积含水率建立线性映射关系，得到5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式；获取介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式；根据5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式和介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式。在本申请中，通过对至少两块尺寸和材质完全相同的岩样进行浸泡处理，使所有岩样达到完全饱水状态，在其中一块岩样表面打孔，并将所有岩样处于相同的空气环境中，在具有孔洞的岩样中放入5TE体积含水量传感器，根据预设的时间间隔周期性记录5TE体积含水量传感器的信号值和不具有孔洞岩样的体积含水率，通过对相同时刻记录的5TE体积含水量传感器的信号值和岩样的体积含水率建立线性映射关系，得到5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式，最后，根据获取的介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式，从而解决目前缺少将传感器信号值换算为岩石含水率的经验公式，无法通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法一种实施例提供的流程图；
图2是本发明一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的装置一种实施例提供的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
目前针对土壤含水率监测有较成熟的经验公式，可以将输出的传感器信号值换算为土壤含水率，但是，现有技术中，缺少将传感器信号值换算为岩石含水率的经验公式，无法通过岩石介电常数计算岩石体积含水率。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法和装置，以克服目前缺少将传感器信号值换算为岩石含水率的经验公式，无法通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的问题。
图1是本发明一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法一种实施例提供的流程图。请参阅图1，本实施例可以包括以下步骤：
S1、获取用户指令，并根据用户指令，采集至少两块尺寸和材质完全相同的岩样。
S2、根据用户指令，在其中一块岩样表面进行钻孔，并对所有岩样进行浸泡处理，使所有岩样达到完全饱水状态。
S3、获取用户测量指令，并根据用户测量指令，将所有岩样置于相同的空气环境中。
S4、根据用户测量指令，在具有孔洞中的岩样中插入5TE体积含水量传感器。
S5、根据预设的获取间隔，周期性的记录5TE体积含水量传感器的信号值及不具有孔洞的岩样的体积含水率。
S6、对相同时刻记录的5TE体积含水量传感器的信号值和岩样的体积含水率建立线性映射关系，得到5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式。
S7、获取介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式。
S8、根据5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式和介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式。
可以理解的是，本实施例首先获取用户指令；根据用户指令，采集至少两块尺寸和材质完全相同的岩样；根据用户指令，在其中一块岩样表面进行钻孔，并对所有岩样进行浸泡处理，使所有岩样达到完全饱水状态；获取用户测量指令，并根据用户测量指令，将所有岩样置于相同的空气环境中；根据用户测量指令，在具有孔洞中的岩样中插入5TE体积含水量传感器；根据预设的获取间隔，周期性的记录5TE体积含水量传感器的信号值及不具有孔洞的岩样的体积含水率；对相同时刻记录的5TE体积含水量传感器的信号值和岩样的体积含水率建立线性映射关系，得到5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式；获取介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式；根据5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式和介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式。在本实施例中，通过对至少两块尺寸和材质完全相同的岩样进行浸泡处理，使所有岩样达到完全饱水状态，在其中一块岩样表面打孔，并将所有岩样处于相同的空气环境中，在具有孔洞的岩样中放入5TE体积含水量传感器，根据预设的时间间隔周期性记录5TE体积含水量传感器的信号值和不具有孔洞岩样的体积含水率，通过对相同时刻记录的5TE体积含水量传感器的信号值和岩样的体积含水率建立线性映射关系，得到5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式，最后，根据获取的介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式，从而解决目前缺少将传感器信号值换算为岩石含水率的经验公式，无法通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的问题。
优选的，岩样的高度大于10厘米，岩样的宽度或直径大于8厘米。
优选的，步骤S2，包括：
根据用户指令，在其中一块岩样表面，以垂直岩样表面的形式进行钻孔，并确保5TE体积含水量传感器能够完全插入；
对所有岩样进行浸泡处理，使所有岩样达到完全饱水状态。
可以理解的是，按照《GB/T 20704-2006 岩石钻孔 干式钻杆和钻头 连接尺寸规范》，确保钻孔垂直于壁面且探针能够完全插入，以模拟石质文物壁面含水率的监测。按照《GB/T 50266—2013 工程岩体试验方法标准》，将两块岩样浸泡大于8 h，待岩样达到完全饱水。
优选的，步骤S5，包括：
根据预设的获取间隔，周期性的记录5TE体积含水量传感器的信号值和不具有孔洞的岩样的重量值；
根据不具有孔洞的岩样的重量值通过称重法获得不具有孔洞的岩样的体积含水率。
可以理解的是，通过不具有孔洞的岩样的重量值和不具有孔洞的岩样体积，及不具有孔洞的岩样初始重量计算得到不具有孔洞的岩样的当前体积含水率，具体为：将不具有孔洞的岩样的当前重量值减去不具有孔洞的岩样初始重量值，得到不具有孔洞的岩样的重量变化量，将不具有孔洞的岩样的重量变化量除以不具有孔洞的岩样体积，从而得到不具有孔洞的岩样的体积含水率。
优选的，5TE体积含水量传感器的信号值与岩样的体积含水率的转换公式为：
，其中RAW为传感器输出的信号值，θ为岩石体积含水率，a和b通过5TE体积含水量传感器信号值与岩样体积含水率的线性映射关系得到。
优选的，介电常数与5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式为：
，其中ε为介电常数。
在具体的实践中，选择气温相对稳定的室内环境，根据用户指令，采集两块尺寸完全相同的岩样，高度大于10 cm，直径（宽度）大于8 cm，并在一块岩样表面钻孔插入传感器探头，以基于FDR技术的5TE体积含水量传感器（美国DECAGON公司生产）为例，根据传感器探针（介电传感器）形状在一块岩样表面钻孔，该步骤应按照《GB/T 20704-2006 岩石钻孔 干式钻杆和钻头 连接尺寸规范》，确保钻孔垂直于壁面且探针能够完全插入，以模拟石质文物壁面含水率的监测。根据用户指令，按照《GB/T 50266—2013 工程岩体试验方法标准》，将两块岩样浸泡大于8 h，待岩样达到完全饱水。获取用户测量指令，并根据用户测量指令，将上述两块饱水岩样取出后置于空气中同时开始进行失水试验，选取固定时间间隔（30min或1h）记录FDR探头得到的传感器信号值，利用称重法得到未安装FDR探头岩样的体积含水率。直至连续两日的体积含水率变化幅度小于0.001 cm3/cm3 ，将疏干过程插有探头岩样的传感器信号值与完整岩样统一时刻称重得到的体积含水率建立线性映射关系，得到传感器信号值与岩石含水率的转换公式。获取传感器探头官方说明书提供的介电常数与传感器信号值的公式，将该关系式与传感器信号值与岩石含水率的转换公式联立，即得到将介电常数ε转化为岩石体积含水率θ的公式。
本发明还提供了一种一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的装置，用于实现上述方法实施例。图2是本发明一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的装置一种实施例提供的结构示意图。如图2所示，本实施例的通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的装置包括处理器21和存储器22，处理器21与存储器22相连。其中，处理器21用于调用并执行所述存储器22中存储的程序；存储器22用于存储所述程序，所述程序至少用于执行以上实施例中的通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法。
本申请实施例提供的一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的装置的具体实施方案可以参考以上任意实施例的一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法的实施方式，此处不再赘述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法，其特征在于，包括：
获取用户指令,并根据所述用户指令，采集至少两块尺寸和材质完全相同的岩样；
根据所述用户指令，在其中一块所述岩样表面进行钻孔，并对所有所述岩样进行浸泡处理，使所有所述岩样达到完全饱水状态；
获取用户测量指令，并根据所述用户测量指令，将所有所述岩样置于相同的空气环境中；
根据所述用户测量指令，在具有孔洞中的所述岩样中插入5TE体积含水量传感器；
根据预设的获取间隔，周期性的记录所述5TE体积含水量传感器的信号值及不具有孔洞的所述岩样的体积含水率；
对相同时刻记录的所述5TE体积含水量传感器的信号值和所述岩样的体积含水率建立线性映射关系，得到所述5TE体积含水量传感器的信号值与所述岩样的体积含水率的转换公式；
获取介电常数与所述5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式；
根据所述5TE体积含水量传感器的信号值与所述岩样的体积含水率的转换公式和所述介电常数与所述5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式，计算得到介电常数与岩石体积含水率的转换公式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩样的高度大于10厘米，所述岩样的宽度或直径大于8厘米。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述用户指令，在其中一块所述岩样表面进行钻孔，并对所有所述岩样进行浸泡处理，使所有所述岩样达到完全饱水状态，包括：
根据所述用户指令，在其中一块所述岩样表面，以垂直所述岩样表面的形式进行钻孔，并确保所述5TE体积含水量传感器能够完全插入；
对所有所述岩样进行浸泡处理，使所有所述岩样达到完全饱水状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据预设的获取间隔，周期性的记录所述5TE体积含水量传感器的信号值及不具有孔洞的所述岩样的体积含水率，包括：
根据预设的获取间隔，周期性的记录所述5TE体积含水量传感器的信号值和不具有孔洞的所述岩样的重量值；
根据不具有孔洞的所述岩样的重量值通过称重法获得不具有孔洞的所述岩样的体积含水率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述5TE体积含水量传感器的信号值与所述岩样的体积含水率的转换公式为：
，其中RAW为传感器输出的信号值，θ为岩石体积含水率，a和b通过所述5TE体积含水量传感器信号值与所述岩样体积含水率的线性映射关系得到。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述介电常数与所述5TE体积含水量传感器的信号值的转换公式为：
，其中ε为介电常数。
7.一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器与存储器相连：
其中，所述处理器，用于调用并执行所述存储器中存储的程序；
所述存储器，用于存储所述程序，所述程序至少用于执行权利要求1-6任一项所述的方法。
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